独柱墩T形刚构桥地震反应分析＊

邱文亮 姜 萌 黄才良

（大连理工大学土木水利学院 大连 116024）

0 引 言

多城市在拓宽的道路中间架设起高架桥，以减缓道路拥堵.高架桥的主梁常采用连续箱梁，其桥墩一般采用独柱墩和双柱墩两种形式.同独柱墩相比，双柱墩桥梁的箱梁横向由距离较远的支座支承，横向受力和稳定性好，但是桥墩对桥下交通影响大，不利于桥下交通组织，墩柱林立，桥下视线通透性差，影响城市美观.因此，对于沿城市主干路建设的桥梁，独柱墩连续箱梁桥是较为合理的桥梁结构形式［1－2］.

为使建设在道路中间的桥梁尽量少地影响原地面道路交通，独柱桥墩横向尺寸应尽量小，但对于较宽的主梁，较小的横向尺寸会使支座间距较小，在偏载情况下支座受力变化较大，连续梁主梁稳定安全系数低，同时主梁支点处横梁受力不利.另外，由于独柱墩抗推刚度较大，对于采用一个墩顶设置固定支座的连续梁，其抗震性能也是桥墩设计的控制因素和难点［3－5］.鉴于独柱墩连续梁存在的问题，本文提出了2跨T形刚构桥梁，并对2种体系桥梁的抗震性能进行了详细的研究.

1 独柱墩桥梁结构体系

目前采用箱形主梁的独柱墩桥梁多采用3～4跨为一联的连续梁结构体系，本文提出2跨T形刚构体系，见图1.

图1 两种体系桥梁结构图（单位：m）

与连续梁结构体系相比，T形刚构有如下优点：

1）由于考虑到美观和桥下行车，连续梁独墩顶的支座距离较小，车辆偏载情况下支座受力变化较大，桥梁的侧向稳定性差，易于整体倾覆；而采用中墩与梁固结的T构则不存在桥梁整体倾覆问题.

2）T形刚构中墩与梁固结，只在交接墩设小吨位支座，节省了大量造价昂贵的支座，按照吨位计算可节省50%以上，同时避免了大吨位支座维修、更换等后期工作.

3）T形刚构中墩与梁固结，墩顶横梁受力远远好于支座支承状态，横向受力更为安全，且节省了预应力筋.

4）T形刚构梁端伸缩量小，单侧温度变形只有10mm左右，降低了对支座、伸缩缝活动量的要求，进一步降低了支座、伸缩缝的造价和后期维护费用.

5）由于伸缩量较小，可以采用与桥面铺装连续的无缝伸缩缝，使全桥桥面连续无缝，对行车舒适性十分有利.同时，无缝伸缩缝解决了目前常见的伸缩缝漏水问题，提高了梁端和墩台的耐久性.

6）连续梁抗震需采用可抵抗较大水平力的固定支座，并额外设置构造和施工复杂的抗震措施.

水平地震荷载常常是桥墩强度设计的控制因素，由于独柱墩梁桥的横向地震力可以通过构造措施由全部桥墩共同承担，纵向地震力则只能由固定桥墩承担，且桥墩的横向尺寸大于纵向尺寸，因此桥墩设计受纵向地震力控制.对于3跨连续梁桥，其固定墩承担3跨主梁的地震惯性力，2跨T形刚构的固结墩承担2跨主梁的地震力，而T形刚构的固结墩抗推刚度一般大于连续梁的固定墩，因此两种体系桥墩所受的地震力大小不能从直观上判断，下面对2种代表性情况进行讨论，以获得一般性结论.

2 墩底固结的等截面情况

假定3跨连续梁和2跨T形刚构的固定墩和固结墩截面尺寸相同，且沿墩高方向为等截面，同时假定墩底完全固结在地基上.因此，可以将固定墩和固结墩简化为如图2的计算模型.

假定桥墩的抗弯刚度为EI，则固定墩抗推刚度K1和固结墩的抗推刚度K2分别为

即有K2＝4K1.

图2 桥墩简化模型

设每跨主梁的质量为m，并忽略墩柱质量对地震力的贡献，将主梁的质量全部聚集在墩顶，则固定墩的自振周期T1和固结墩的自振周期T2分别为

根据文献［6］，水平设计加速度反应谱S取值如下.

固定墩和固结墩的墩顶所受的水平地震力分别为H1和H2；地震产生的墩底弯矩分别为M1和M2

根据桥墩自振周期与桥址特性周期Tg的比较关系，对2种体系的桥墩受力讨论如下.

从上述关系表达式可见，当T1＜1.5Tg时，固结墩水平地震力H2小于固定墩水平地震力H1；当T1＞1.5Tg时，固结墩水平地震力H2大于固定墩水平地震力H1，二者最大比值为1.633；而水平地震力产生的固结墩底部弯矩M2均小于固定墩弯矩M1，二者最大比值为0.816.

3 考虑桩－土相互作用的变截面情况

实际的独柱墩连续梁设计中，为尽量少占用桥下的车道，桥墩下部的尺寸由满足受力确定，而桥墩的上部为放置支座则需在横向逐渐扩大，由此形成变截面墩.从连续梁桥墩的本身受力来看，上大下小的桥墩是不合理的，而对于T形刚构则由于上部与梁体固结亦需要抗弯，显得更为合理.另外，一般情况桥墩的底部也不可能处于固结状态，对岩石覆盖层较深的嵌岩桩和摩擦桩，基础变形不可避免，基础变形降低了桥墩的抗弯刚度，进而减小了桥墩所受的地震力.本文以大连市中山路高架桥为例，考虑桥墩的变截面和桩－土相互作用，采用MIDAS CIVIL软件建立了图1所示的2种桥梁结构的全桥有限元模型，利用反应谱分析方法进一步研究2种体系的地震特性.有限元模型中主梁、桥墩、桩基采用梁单元模拟，T形刚构中墩与梁固结，连续梁的固定墩与梁采用约束全部水平位移的铰连接，其余设活动支座的墩与主梁采用纵向水平位移自由的铰连接，土对桩的作用采用m法，m取值为10 000kN／m2.研究采用二类场地，Tg＝0.34s，地震加速度峰值为0.1g.图3给出了两种体系桥梁的墩桩的水平地震力，图4和图5给出了2种体系桥梁的桥墩和桩基础的弯矩.

图3 水平地震力与墩高的关系

从图3可以看出，随着墩高h的增大，T形刚构和连续梁所受的水平地震力H均迅速减小，除墩高较小时，二者的变化率基本相近，其比值随墩高增大，由0.93变化为1.52.除墩高接近3m时，T形刚构所受水平地震力H2小于连续梁外，其余均大于连续梁的地震力H1.

图4 桥墩弯矩与墩高的关系

从图4可以看出，T形刚构的墩底弯矩M2和墩顶弯矩均小于连续梁的墩底弯矩M1，墩高h越小，其差值越大，M2／M1的最小值为0.27，最大值为0.70.随着墩高h的增大，T形刚构的墩底弯矩基本处于增加状态，直到在墩高11m附近达到最高值，而T形刚构的墩顶弯矩和连续梁的墩底弯矩则有明显的先增大后减小的变化趋势，且在墩高5m附近达到最大值.

图5 桩身最大弯矩与墩高的关系

从图5可以看出，T形刚构的桩身的最大弯矩大于连续梁的桩身的最大弯矩，墩高h越小，其差值越大，二者比值的最小值为0.58，最大值为0.82.随着墩高h的增大，连续梁的桩身的最大弯矩快速减小，而T形刚构的桩身的最大弯矩则先先增大后减小，并在墩高5m附近达到最大值.

由此可见，T形刚构提高了结构的抗震能力，在抗震桥墩设计强度相同的情况下，T形刚构墩底弯矩为同等跨度3跨连续梁的27%～70%，虽然墩顶弯矩大于墩底弯矩，但是墩顶的截面扩大后承载力大于墩底.另外，经分析T形刚构墩梁固结对主梁的受力影响较小，对于本桥，地震力产生的梁体最大值平均应力为0.87MPa，因此梁体是安全的.

桥墩所受水平地震力随着桥墩的抗推刚度的增大而增大，连续梁的桥墩厚度一般是由墩底的地震弯矩、墩顶放置支座和墩顶受力确定的，而T形刚构由于没有墩顶支座，而且墩身地震弯矩较小，因而其桥墩厚度可以减小，桥墩抗推刚度的减小会进一步减小桥墩所受地震力.

4 结 论

1）2跨T形刚构较3跨连续梁可以节省大吨位支座和抗震支座，简化了伸缩缝的构造，降低了造价和后期维护费用.采用墩梁固结，增加主梁的横向稳定性，避免了连续梁可能出现的整体倾覆，同时使墩顶横梁受力大大减小，减低了横梁的设计难度.

2）利用反应谱方法，通过推导墩底固结等截面情况下T形刚构和连续梁桥简化模型的地震力和桥墩弯矩的解析表达式，研究了不同周期范围内的2种体系地震反应；通过桥梁的整体有限元模型，并考虑桩－土相互作用，对实桥进行了地震反应分析.研究结果表明，T形刚构采用墩梁固结能够显著降低地震力作用下桥墩和桩基的弯矩，提高了桥梁的抗震能力，避免了连续梁纵向抗震对支座的抗水平力要求和构造复杂的抗震措施，简化了抗震构造.

［1］陈枝洪，吴桂胜，孙向东.独柱墩连续箱梁结构受力特征［J］.公路交通科技，2006，23（6）：89－91.

［2］范立础.桥梁抗震［M］.上海：同济大学出版社，1997.

［3］陈惠发，段 炼.桥梁工程抗震设计［M］，北京：机械工业出版社，2008.

［4］邱文亮，姜 萌，张 哲.城市独柱墩桥梁结构体系非线性抗震研究［J］.地震工程与工程振动，2010（1）：55－58.

［5］李静斌，葛素娟，陈 淮.分体式组合小箱梁桥空间有限元建模方法［J］.广西大学学报：自然科学版，2010（4）：77－80.

［6］重庆交通科研设计院.JTG／T B02－01－2008公路桥梁抗震设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2008.